MBR膜污染、影響因素及其控制策略研究進展

張夢園 , 卞曉崢,2 , 黃健平,2* , 吳永惠

(1.華北水利水電大學 , 河南 鄭州 450046 ; 2.河南省水體污染與土壤損害修復工程技術研究中心 , 河南 鄭州 450046)

膜生物反應器(MBR)是一種集生物處理技術和膜分離技術于一體的先進水處理技術,利用微生物降解污水中的有機物質,并通過膜分離過程將水和生物固體分離,達到生物反應和固液分離同時進行的目的,具有出水水質優、占地面積小、污泥產量少、水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)完全分離等優點[1]。然而,膜污染嚴重限制了MBR工藝的推廣應用。膜污染不僅會導致膜的頻繁清洗和更換,增加系統的運行和維護成本,還會影響膜的過濾和分離功能,導致系統的處理效果下降,最終影響出水水質。因此,對膜污染的形成過程和機制研究對于控制和減緩膜污染具有重要意義。

1 MBR工藝類型

按照膜組件的安放位置,MBR工藝可分為外置式和浸沒式[2]。在外置式MBR工藝中,生物反應器和膜組件分開設置,通過循環泵實現泥水分流,浸沒式MBR是指膜組件直接放置在生物反應器中,利用泵將水排出。外置式MBR的運行相對獨立,便于調控,膜組件置于反應器外,方便清洗、更換和加膜。雖然浸沒式MBR的可調控性相對較差,膜清洗較為復雜,但其大大降低了處理系統的能耗和占地面積。

目前實際的工程應用中也多采用浸沒式MBR[3]。

2 MBR膜污染

膜污染是指在膜過濾過程中,水中的微粒、膠體粒子、溶質大分子或活性污泥絮體在膜表面或膜孔內吸附、沉積,導致膜孔徑變小或堵塞,使膜通量下降、跨膜壓差(TMP)上升的現象。根據膜污染物的成分,通常可將MBR膜污染分為有機污染、無機污染和生物污染[4]。

2.1 有機污染

有機污染是由有機大分子在膜孔或膜表面沉積所形成的污染。其中,溶解性微生物代謝產物(SMP)和胞外聚合物(EPS)是最主要的膜污染物,這類物質與膜組件接觸時會發生物理化學作用,吸附在膜表面或進入膜孔內部,從而造成不可逆污染[5]。WANG等[1]在研究C/N比對膜污染的影響實驗中發現膜表面污染物的主要有機成分是蛋白質和多糖,與污泥絮體相結合黏附在膜表面,從而形成凝膠層造成膜污染,并且發現降低SMP和EPS在膜表面的積累可以減輕膜污染。有研究表明,SMP具有一定的抗過濾特性和極高的黏附能力,比其他物質更先吸附在膜上,影響膜的過濾性能[6-7]。EPS對污泥顆粒的表面電荷、疏水性或親水性以及混合液的黏度有很大的影響。因此,在目前的研究中認為EPS是生物結垢的主要原因。

2.2 無機污染

2.3 生物污染

生物污染是指微生物及微生物的代謝產物吸附在膜孔及膜表面[5]。在膜污染初期,微生物會通過黏附作用在膜表面形成一層生物膜,隨著生物膜層數的增多,老化的微生物分解為蛋白質、糖類等有機物,這些有機物吸附在膜表面或膜孔中造成膜污染[10]。微生物附著在膜表面形成污染,提高膜的截留作用的同時會導致膜通量下降[11]。有研究表明,泥餅層污泥和混合液污泥中的微生物群落分布有一定的差別,并且在MBR長期運行時,隨著泥餅層的加厚,微生物群落分布也會發生變化[12]。污泥中的微生物群落對生物污染的形成和變化起到了重要作用。

有機污染、無機污染和生物污染并非單獨發生,它們之間具有一定的協同作用,能夠在膜孔以及膜的表面形成復雜的污染物。在膜的過濾初期,由于膜孔的阻塞及污染物的附著,引起膜的不可逆污染。此外,混合液中的膠體顆粒和微生物絮體黏附在膜的表面,使TMP快速升高。伴隨著TMP升高的過程,有機污染物、膠體顆粒及污泥絮團會在膜表面繼續沉積,而鹽分等雜質則會在膜面生成沉淀,從而促進泥餅層的形成。隨著泥餅層的積聚,TMP急劇升高,進一步加劇了膜污染。

3 膜污染產生的影響因素

理解并把握多種因素對膜污染的作用,是實現膜污染控制的關鍵。從膜表面特性、污泥混合液性質以及操作條件三個方面,對膜污染的形成機制進行了較為深入的研究。

3.1 膜表面特性

膜材料、親水性/疏水性、表面電荷、粗糙度、孔徑、孔隙率以及膜組件結構等因素對生物反應器中膜表面與混合液間的相互作用具有重要的影響。根據膜的材料進行分類,常用的膜主要分為陶瓷膜、金屬膜和有機膜。其中,有機膜是一種成本較低,生產工藝較為成熟的材料;但其容易被污染,壽命較短[13]。常見的有機膜包括聚乙烯(PE)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。JEON等[14]的研究采用了醋酸纖維素(CA)、PES和PVDF三種膜材料以及不同孔徑的膜進行過濾實驗,結果表明,在使用活性污泥時,超濾膜的表面親水性和孔徑對MBR運行中的污染性能有明顯影響。人們認為親水膜比疏水膜更能緩解膜污染,然而,存在相互矛盾的結果。例如,MATAR等[15]研究了MBR中疏水和親水膜表面的影響,結果表明,MBR過程中的污染行為對親水性的依賴程度遠低于之前的研究。當膜表面電荷與廢水中污染物的電荷相同時,相似電荷具有排斥作用,可以降低膜的表面污染,提高膜的滲透率[16]。膜孔徑大會導致膜污染加重,通量快速降低,出水水質變差。在MBR運行過程中,微粒和溶質大分子容易堵塞膜孔,造成膜污染。通常情況下,隨著孔隙率的增大,TMP減小。但是,當孔隙率發生變化時,表面粗糙程度也會發生改變,從而影響對污染物的吸附能力。膜表面的粗糙程度越高,膜污染越嚴重。

3.2 污泥混合液性質

膜污染與污泥混合液特性包括污泥濃度(MLSS)、污泥黏度、污泥粒徑、EPS、SMP、微生物群落等密切相關。MLSS是膜分離過程中的一個關鍵參數,對膜的性能有很大的影響。研究結果表明,高濃度的MLSS能有效地減少污泥的負荷,提高處理效果,并能增大混合液的黏度;但同時也會使膜的過濾阻力增大[16]。混合液的黏性越大,污泥絮體就更容易黏附在膜表面加速膜污染。不同粒徑的污泥顆粒在膜表面的附著能力有較大的差別,從而對膜的污染程度產生不同的影響。在膜分離過程中,較大粒徑的污泥顆粒會產生較好的膜過濾效果;細小的污泥顆粒會被優先吸附在膜上,從而導致膜污染,而且這些小顆粒污泥所形成的泥餅層會變得更加致密,具有更高的比阻。

SMP和EPS的主要成分是蛋白質和多糖,濃度越高,泥餅層結構越緊密,膜污染越嚴重。在MBR中,微生物會引起污泥形態、粒徑分布、EPS、黏度等因素的變化,從而對膜污染產生一定的影響。絲狀菌是影響膜污染的主要微生物。絲狀菌數量太多或太少都會引起嚴重的膜污染。在活性污泥中,絲狀菌數量過少,污泥絮體較細,容易堵塞在膜孔,而絲狀菌數量過多則會在膜表面形成厚實、堅固的泥餅層,從而增加了過濾阻力,降低了膜通量[17]。

3.3 系統操作條件

膜通量、TMP、曝氣強度、SRT、HRT和溫度等操作條件都會對膜污染產生影響。在膜過濾過程中,膜通量和TMP存在一定的相關性[5]。在其他條件相同時,要得到較大的膜通量,就需要增大TMP。MBR有兩種運行模式:恒通量過濾和恒壓過濾。恒通量過濾比恒壓過濾下的膜污染速率低,但是在清洗后的膜通量恢復效果卻很差,這主要是因為在恒流量過濾過程中,膜面上的泥餅層會變得更加致密。高壓過濾,會使膜表面快速形成緊密的泥餅層,膜通量迅速下降。在恒定低壓條件下運行,形成的泥餅層較薄或只具有可逆濃差極化層,膜污染不顯著。曝氣不僅能提供微生物代謝所需的氧氣,還能沖洗膜表面,避免污染物沉積,減緩膜的污染[18]。當曝氣強度變化時,會影響EPS和SMP的濃度和成分[19]。SRT對MLSS、污泥成分、EPS和其他參數的影響很大。SRT越長,污泥絮凝效果越好,可以緩解膜污染,然而,過長的SRT會引起污泥老化,從而降低出水質量[20]。HRT對膜污染也有重要影響。HRT的變化會直接導致膜通量的變化,HRT越低,單位面積過濾壓力越大,膜污染越嚴重[21]。而溫度對微生物的代謝影響較大,不同溫度下,EPS的分泌量也會有所不同。較高的溫度會降低混合液的黏度,從而提高水流速度,增加膜通量。當溫度較低時,微生物會進行自我保護,分泌更多的多糖和蛋白質,從而使混合液中的EPS濃度升高[22]。

4 膜污染控制方法

結合影響膜污染產生的因素,提出了相應的MBR膜污染控制方法,主要方法有:改善膜特性、調控污泥混合液性質和優化MBR系統操作條件。

膜污染控制方法總結如表1所示。

在改性材料方面,開發具有抗污染性能的膜材料,通過改善膜表面的親疏水性來提高膜組件的抗污染性能[26]。還可以通過在膜表面進行涂層、接枝、功能化、等離子處理和圖案化對膜進行改性[27]。在改善污泥混合液特性方面,通過投加絮凝劑、吸附劑和生物載體可減緩膜污染。在MBR中添加常用的吸附劑如粉末活性炭(PAC),PAC的吸附能力很強,可以吸附混合液中溶解的有機物和微粒等,能有效控制膜污染的發展,減緩TMP的增加速度,延長膜的運行周期[23]。在系統操作條件優化方面,通過調整HRT、SRT和膜通量等運行參數,并結合工藝與運行成本等指標,控制膜污染。

5 結論

MBR是一種先進的水處理技術,然而膜污染仍是制約膜技術廣泛應用的主要問題。根據污染物的成分進行分類,其中有機污染和生物污染占據膜污染的主導地位。從改善膜性能、調控污泥混合液特性以及優化系統操作條件三個方面,總結控制膜污染的有效方法。研究MBR膜污染機制和膜污染的控制方法對于MBR技術的可持續應用具有重要的理論和實際意義。